太阳刚诞生时是怎样的？

尽管太阳刚形成时宇宙的年龄只有现在的三分之二，但那时的宇宙与现在的宇宙已经非常相似了。银河系看起来相对孤立：它是相对较小的星系群中第二大的成员。低质量矮星系会慢慢合并，并被更大的星系吞噬。在整个银河系中，数千亿颗恒星已经闪耀，气体团块偶尔会沿着螺旋臂收缩，引发新一波恒星形成。我们的银河系中随时都有数十到数百个这样的区域处于活跃状态。

这一过程在宇宙中所有富含气体的静止星系中都在发生，包括像我们这样的普通螺旋星系。恒星以小规模爆发的方式缓慢形成，而气体被吸入螺旋臂，恒星形成从这些物体的中心向外传播。在银河系的其中一个区域，大爆炸 92 亿年后，一团气体坍缩，形成了许多新恒星，很可能是一个星团。正是从其中一团气体中，一颗特殊的恒星——我们的太阳，以及行星和太阳系的其余部分形成了。

詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 拍摄的原行星盘（或称 prolyd，猎户座 294-606）的这幅图像不仅展示了 JWST 在成像此类物体方面有多么出色，还展示了恒星系统之间的距离有多远，即使在它们形成的恒星形成区域也是如此。这个新形成的物体是由气体云坍缩而形成的，有朝一日会变成恒星，但目前还不是恒星。

恒星形成的故事几乎贯穿了整个宇宙历史，除了最初的 5000 万到 1 亿年，宇宙一直在以某种方式在某个地方形成恒星。气体云收缩，经历一个称为核心碎裂的过程，并产生恒星，其中约一半形成于单恒星系统。然而，在像我们这样的恒星系统（拥有岩石行星、生命要素和潜在宜居条件）成为可能之前，经历了相当长的时间和宇宙演化。

恒星经历了许多代的生存和死亡，燃料燃烧殆尽，变成超新星，外层被吹散，恒星残骸（白矮星-白矮星和中子星-中子星）发生碰撞，才为我们的星系注入了岩石行星和生命所需的重元素。除非恒星形成的重元素至少达到太阳重元素的 8-25%，否则岩石行星很可能无法形成，这种情况仍然影响着星系边缘和银河系晕中的恒星。只有这些原始成分到位，我们的太阳系才能形成，才有可能产生我们。为了让我们拥有这些特性而存在，一大堆其他东西必须恰到好处地排列在一起。

仅由正常物质控制的星系（左）在外围的旋转速度会比中心低得多，这与太阳系行星的运动方式类似。然而，观测表明，旋转速度与星系中心半径（右）基本无关，这导致人们推断星系中一定存在大量不可见或暗物质。这类观测具有革命性意义，有助于天文学家理解宇宙中暗物质的必要性，并解释星系螺旋臂内物质的形状和行为。

螺旋星系的形状大致像煎饼：星系内部的气体呈薄盘状，中心密度较大，外围密度较小。星系旋转时，内部旋转的圈数比外部旋转的圈数多；星系的旋转速度不同，而不是像旋转的唱片一样。此外，随着时间的推移，气体、尘埃和其他物质往往会向内聚集，从星系外围和晕圈被吸入星系中心，在那里，它们通过与内部区域已经存在的元素和物质混合，参与恒星形成。

这些过程导致最重的元素优先聚集在中心区域附近，而较轻的元素则聚集在远离银河系中心的地方。我们的太阳系形成于距离星系盘边缘约一半的气体云，距离中心约 27,000 光年，如果沿长度切开，则位于星系盘的中心部分。当我们的太阳系首次形成时，我们由大约 70% 的氢和 28% 的氦组成，其他所有元素的总和只有约 2%。尽管如此，这代表着自大爆炸以来已经走了很长一段路，当时所有元素大约是 75% 的氢、25% 的氦，其他所有元素的含量加起来还不到百万分之一。

这张 JWST（左上）和哈勃（右下）的合成图像显示了距离我们 3200 万光年的附近螺旋星系 NGC 628，展示了气体和尘埃网络，它们勾勒出了螺旋臂和其中当前的恒星形成区域。在 JWST 的高分辨率红外图像中，气体和尘埃呈现出鲜明的橙色和红色，并显示出更精细的螺旋形状和锯齿状边缘，尽管这些区域仍然很分散。

在像我们这样的星系中（即在相对安静的演化螺旋星系中），大多数恒星的形成方式是当盘中的气体云穿过其中一条螺旋臂时。物质被汇聚到这些云中，而密度波则通过星系盘传播，导致气体和尘埃聚集在一起，达到比以前更高的密度。一旦达到临界密度，气体/尘埃可以通过散发热量足够快地冷却自身，引力坍缩就成为必然。当这种坍缩最终发生时，这些气体云（其质量可能是太阳的数千倍到数百万倍）开始分裂成数百、数千甚至更多的微小团块。

最先形成的最大团块开始吸引最多的物质，它们会成长为最大、质量最大的恒星：通常位于这些气体云的中心密集区域。较小星等的团块生长较慢，质量较低，形成质量较低的恒星，并且更有可能被更大、更亮、更热的恒星发出的外部辐射吹走。与此同时，合并在一起的团块会加速生长。在每个恒星形成区域内，都会发生一场竞赛。引力会努力形成和生长恒星，而最热恒星发出的辐射会努力蒸发掉恒星形成物质。

火焰星云，结合了 X 射线数据（来自钱德拉）和红外光（来自斯皮策），展示了中心的年轻大质量恒星团，它在周围用于恒星形成的气态物质中勾勒出壮观的形状。直接观察这些区域内形成的最热、最亮、质量最大的恒星非常困难，因为中间经常有大量（可见）遮光物质。仅仅几百万年后，主要照亮火焰星云的恒星就会全部消亡。

随着时间的推移，宇宙本身会明确谁将成为最大的赢家。你可能会认为是质量最大的恒星，它们的质量可以达到太阳的数十倍甚至数百倍，并能发出比我们自己的恒星亮数千倍甚至数百万倍的辐射。就质量、温度、亮度和总发射能量而言，这些才是最大的赢家。这些庞然大物将在相对较短的时间内通过蒸发周围的气体来摧毁它们诞生的活跃恒星形成区，阻止质量较低的恒星和原恒星生长到某个点以上。

但对于那些质量最大的恒星来说，胜利是短暂的，而且在某种意义上是惨胜。虽然质量最大的恒星最终是最亮、最容易看到的，但它们的数量也是最少的。引力是一种非常顽强的野兽，因为它将气体吸入各种各样的区域，包括物质比最密集区域稀疏得多的区域。虽然一个大的恒星形成星云可能会形成数十甚至数百颗高质量恒星，但每形成一颗高质量恒星，它就会形成数百颗低质量恒星。虽然最亮、最热、最蓝的恒星在早期得到了所有的关注，但它们在宇宙尺度上只是昙花一现。仅仅几百万年后，它们就会全部消失。

按颜色和星等对恒星进行分类的系统非常有用。通过勘测我们所在的宇宙区域，我们发现只有 5% 的恒星质量大于或等于我们的太阳。太阳的亮度是最暗的红矮星的数千倍，但质量最大的 O 型恒星的亮度是太阳的数百万倍。

你可能听过这样一句老话：“两倍明亮的火焰只能燃烧一半的时间”，但对于恒星来说，情况要糟糕得多。质量是另一颗恒星两倍的恒星燃烧燃料的速度是另一颗恒星的八倍，而质量是另一颗恒星十倍的恒星寿命还不到质量较小的恒星的 1％。与可能持续 100 亿至 120 亿年的太阳等恒星相比，质量是太阳几十倍甚至几百倍的恒星最多只需几百万年就会走到生命的尽头。与太阳在行星状星云中平静地消亡不同，质量最大的恒星将在剧烈的恒星灾变中消亡，例如核心坍缩成超新星。

在形成太阳系的恒星形成阶段的早期，即将成为太阳的原恒星仍在吸收物质，不断生长，并努力坍缩形成一个中心恒星，中心恒星周围环绕着一个物质盘，行星和更多恒星最终将从中诞生。与此同时，它周围质量最大的恒星疯狂地燃烧燃料，在超新星事件中爆炸，并终止周围环境中的恒星形成，因为它们成功地蒸发掉了所有的气体。宇宙是一个暴力的地方，恒星形成区域是所有地方中最暴力的地方之一。

用三种不同波长的光观察同一空间区域，即短波长红外视图、长波长红外视图和波长为 1.87 微米的窄带视图，可以发现猎户座星云同一区域内的许多不同特征。长波长光下明亮发光的特征表明存在大量中等温度的中性物质，表明这些区域中的恒星形成仍在进行中。活跃的恒星形成区域不仅会形成像我们这样的单重态恒星系统，还会形成双星、三星甚至更丰富的多星系统。

当我们将太阳与宇宙中形成的所有其他恒星进行比较时，我们会发现太阳与质量最大的恒星相差甚远，这些恒星的质量可达目前太阳质量的 260 倍。然而，当我们将太阳与我们发现的低质量恒星进行比较时，我们会发现太阳也不是质量最小的恒星。将成长为太阳的中心物质团块比现有的绝大多数团块更大、更早，并且增长速度更快。如果我们今天看看我们的太阳，并将其与宇宙中所有其他恒星进行比较，就会发现一个令人惊讶的事实：它的质量比 95% 的恒星都要大。

事实上，大约 75% 到 80% 的恒星都是红矮星（M 级）：这是质量最低、温度最低、体积最小的一类恒星，质量不超过太阳的 40%。其余恒星中，超过一半属于下一类：K 级，比我们的太阳更小、质量更小、温度更低（约为太阳质量的 40-80%）。聚集在一起形成我们母星的物质数量在质量方面高于平均水平，但在一个非常重要的方面却是典型的，我们是孤独的，我们的系统中没有任何其他恒星伴星。

赫罗图（颜色-星等）上一颗太阳质量恒星从主序前阶段到聚变结束的演变。每种质量的恒星都会遵循不同的曲线，但太阳只有在开始氢燃烧后才是恒星，氦燃烧完成后就不再是恒星。图表左上角的恒星比我们的太阳质量更大、温度更高、亮度更高，但也是寿命最短的恒星。

在我们发现的银河系大小的星系中，大多数大型恒星形成区都有数千颗新恒星诞生。其中许多将结合成多星系统，而总共约有一半将是没有其他恒星伴星的单星。我们最近才通过观察地球附近的恒星了解到这一点，这要归功于一项名为 RECONS 的合作。近邻恒星研究联盟(RECONS) 调查了他们在 25 秒差距（约 81 光年）内能找到的所有恒星，共发现了 2,959 颗恒星。其中 1533 颗是单星系统，但其余 1426 颗结合成双星、三星甚至更复杂的系统。

我们一直想知道为什么我们的太阳是一个单恒星系统，而不是多恒星系统。虽然这看起来像是纯属偶然，但事实证明，我们现在已经发现了 5000 多颗系外行星，而存在于我们目前称之为其恒星周围“宜居带”的岩石行星——在类似地球的大气压下，表面有液态水的适宜条件，在多恒星系统中几乎不存在。我们的太阳是单重恒星的原因可能是因为单重恒星系统是迄今为止最有可能容纳潜在宜居世界的系统，如果我们要在这个宇宙中诞生，这是我们绝对需要的。

恒星形成区域 G333.23–0.06 内部的假色图像显示了 ALMA 的多个大质量原恒星系统数据。在这些物质团块中，ALMA 发现了多恒星系统，其中单重恒星相对罕见。

随着时间流逝，变成太阳的气体云碎片将大量物质聚集到中心团块上，形成了一颗原恒星。原恒星内的粒子散发热量，使其坍缩并变得更致密，而引力坍缩同时导致该团块最内层中心的温度不断升高。在某个时刻，温度达到一个临界阈值——400 万 K。在这个温度点，单个质子可以开始通过质子-质子链的核聚变过程融合成更重的元素。

这标志着我们的恒星——太阳正式“诞生”的时刻。据我们所知，这一时刻发生在 45.6 亿年前，当时宇宙的年龄约为现在的 2/3。中心恒星点燃，引发了一系列剧烈的下游效应。

· 原恒星周围的物质分布在一个圆盘中，由于恒星辐射和恒星风的作用，开始从内到外蒸发。

· 仅仅 500,000 到 2,000,000 年后，恒星盘就开始碎裂并形成团块，形成第一批原行星。

· 各种挥发物被蒸发掉，形成了一系列“霜线”，霜线内部的区域不再存在各种形式的冰。

30 个原行星盘，或称原行星盘，由哈勃在猎户座星云中拍摄。哈勃是识别这些盘状物特征的绝佳资源，但即使从太空中的位置来看，也无力探测这些盘状物的内部特征。像 ALMA 这样的射电望远镜，以及像 VLT 和 JWST 这样的红外天文台，在测量这些细节方面更胜一筹。行星大多来自原行星盘，但不同的机制可能导致距离母星不同距离的不同行星形成情景。

这是一个我们终于可以讲述的非凡故事，因为直到最近几年，我们才能够观察到恒星系统形成的早期阶段，发现中心恒星和原恒星被气体、尘埃和通常有空隙的原行星盘所笼罩。这些是将成为巨大岩石行星的种子，最终形成像我们自己的恒星和行星系统。虽然大多数形成的恒星，很可能包括我们自己的恒星都是在巨大的星团中成千上万颗恒星中形成的，但也有一些异常恒星是在相对孤立的环境中形成的。

无论如何，形成的星团很少能持续很长时间，几乎所有星团都会在不到 10 亿年的时间里抛出其成员并完全解体。尽管宇宙的历史可能会随后将我们与数十亿年前形成的所有恒星和行星兄弟姐妹分开，将它们分散到整个星系，但我们共同的历史仍然存在。每当我们发现一颗年龄和重元素丰度与太阳大致相同的恒星时，我们就会忍不住想：这是我们失散已久的兄弟姐妹之一吗？可能有成千上万的这样的恒星在银河系中漫游，也许有一天，我们能够识别出数十亿年前与我们在同一个托儿所中长大的宇宙兄弟姐妹。